转炉托圈新增人孔数字仿真研究.doc

中国冶金装备网-中国冶金人的网转炉托圈新增人孔数字仿真研究罗会信，李绍凯 （武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉430081）摘要：为了便于对托圈进行维护，在转炉托圈上开设了两个人孔。应用了有限元法，在考虑托圈约束、承载、热辐射等因素的情况下，对不同倾动角度工况下的转炉托圈热应力进行了仿真。通过仿真结果对比发现，开孔后托圈开孔处应力略增大，但托圈仍在安全使用范围内。关键词：转炉托圈；热应力；仿真；人孔；研究Digital simulation research of new added manhole on supporting ring of conventerLuo hui-xin，li shao-kai (Department of Machinery & Automation, Wuhan University of Science & Technology, Wuhan 430081,China)Abstract：In order to facilitating the maintenance,the supporting ring of conventer is needed to add two manholes. Considering the constraints,the ability to bear load, thermal radiation etc, supporting ring of conventer was carried out simulation of thermal stress with different tilting angles by finite element method.Comparing the results of simulation,we could draw a conclusion that the stress on manhole increases slightly, but the supporting ring is still in the safe using range .Keywords: converter supporting ring ; thermal stress; simulation;manhole;research1 前言 转炉托圈是炼钢设备转炉的重要承载部件，又是基本传动部件。在炼钢过程中，它起着支撑转炉炉体，带动转炉炉体转动的作用。工作中托圈除承受炉体、钢液及炉体附件的静载荷作用并传递倾动力矩，还承受顶吹的氧气的压力以及频繁启、制动产生的动载荷以及高温热传导与辐射所产生的热负荷作用，因此它是存在极大风险的关键主体设备。某厂250t转炉托圈已投产使用2年，托圈为整体托圈。在生产过程中，发现该厂两座同等容量的转炉托圈内筋板有开裂的情况发生。为防止托圈开裂造成重大安全事故，需对现有整体式转炉托圈进行局部修改，以便于工作人员进入托圈内部，了解托圈内部运行状况。修改方案是在托圈的炉前侧和炉后侧各与耳轴轴线对称成31.5方向各增开一个人孔1，便于工作人员进出，对其进行检修。针对新增人孔会对转炉托圈应力造成影响，应用了有限元仿真技术对转炉托圈进行了热应力仿真分析。2 转炉托圈结构特点转炉和托圈之间是通过3组垂直链杆和2组水平链杆相连接。链杆与转炉及托圈间有关键轴承，因此，将链接杆看成二力杆。又因为在转炉倾动过程中，炉体和托圈的相对位置变化不大，开人孔仅对托圈本身的局部应力分布有影响，所以仅以托圈为分析研究对象，简化计算模型。在不同倾动角度下，计算出链杆承受的转炉载荷，然后将以约束反力的形式施加于托圈链接座上。转炉托圈结构见图1所示。作者简介：罗会信，男1962年出生，武汉科技大学机械自动化学院，教授，硕士，从事冶金设备有限元仿真研究图1 转炉托圈结构3 托圈模型的建立严格按照三维CAD模型尺寸参数及结构特点，来建立CAE 分析的整体模型。在有限元模型的建立过程中,所有零件均采用实体单元进行建模。图2为开人孔后托圈的三维CAE模型。进行有限元分析时，采用的全局坐标系如下：X轴与耳轴轴线重合，且从主动侧指向从动侧为正；Y轴在水平面内通过托圈中心，由炉前指向炉后为正；Z轴在垂直平面内，当炉口向上时，与转炉对称轴重合，由炉底指向炉口为正。倾动角以炉口朝上为0位，朝炉前侧倾动为正，炉后侧倾动为负。图2 开人孔托圈CAE模型4 托圈的热分析托圈系统在炼钢过程中受到炉体的热辐射引起的温度升高23，为了全面计算托圈的应力，必须考虑温度场与结构载荷共同作用下的应力场，这就要求首先对托圈进行热分析。转炉在炼钢过程中的传热过程可以近似地看作是一个稳态传热过程，在不同的倾动角下，其温度场基本相同。为计算方便起见，将辐射换热折算成对流换热进行计算。 式中， 黑度 斯忒藩-波耳兹曼常数， 两表面的温度，K。因此，复合对流换热系数为： 表面传热系数（热交换系数），按照上述理论，我们对转炉系统各部位的对流换流系数（也称热交换系数）进行了计算。根据计算结果与实测数据施加边界条件，得到了图3所示的托圈温度场4。图3 开人孔托圈的温度场5 托圈不同倾动角度的热应力分析3.1托圈约束及承受载荷托圈的约束有托圈倾动端耳轴轴承处的约束和托圈游动端耳轴轴承处的约束。在倾动过程中托圈承受的载荷有托圈结构自重、温度载荷、托圈内冷却水水压、水平吊挂与垂直吊挂传递的载荷。3.2链杆受力计算托圈与炉体通过三组垂直吊挂和两组水平吊挂相连接。将每组吊挂的中间链杆看成二力杆，在计算不同倾动角度下，链杆受力情况前，先通过三维软件Solidworks计算出转炉及钢液在不同倾动角度下相对于耳轴的质心位置。计算连杆受力过程中，因两组水平链杆和两组炉后垂直链杆相对于转炉成对称结构布置，假设两组水平链杆力F2和两组炉后垂直链杆力F3分别相等。又因转炉在倾动过程中转速很慢，计算过程中忽略惯性力的影响。转炉托圈受力简图如图4。图4 托圈受力简图1） 以转炉托圈整体为研究对象，忽略动载因素的影响，可得到静力平衡方程： （1）2） 取炉体及链杆为研究对象，在坐标系y/oz/下，可列出方程： （2） （3）3） 取托圈及链杆为研究对象，在坐标系y/oz/下，可列出方程： (4)将14式进行联立方程组，可得到各联杆承受的载荷，同时考虑动载系数1.25，得出不同工况下链杆的载荷如表1所示。式中为托圈倾动角度，1、2分别为链杆受力方向与转炉轴线在坐标系yoz下的夹角M表示转炉倾动力矩，MM表示倾动摩擦力矩，GK表示转炉空载时的重力，GY表示转炉内钢液重力。不同倾动角度下各吊挂装置链杆的具体载荷见表1。表1 典型倾动角下倾动力及把持器传递载荷数据倾动角炉内钢水量（t）转炉状态炉前侧垂直链杆载荷（kN）炉后侧垂直链杆载荷（kN）水平链杆载荷（kN）0330吹炼68304830030装料70193630422360556713397350-30出钢48114735-4223-6012633491-7350-9030-32521626-86016 典型倾动角下托圈热应力场对不同倾动角度托圈进行了热应力分析，下面列出倾动角为30度时， 炉内钢水量为330t，托圈整体及局部热应力放大情况，见图5至图7。图5 30时开人孔托圈的热应力场图6 30时托圈炉前侧开人孔处局部放大应力图图7 30时托圈炉后侧开人孔处局部放大应力图7 不同倾动角下托圈各部位的热应力值不同倾动角下托圈各部位的热应力见图8。关注的是开人孔后对托圈的承载能力的影响，因此列出了托圈炉前侧和炉后侧开人孔处与未开人孔时的应力图，见图9。图8 不同倾动角下托圈各部位的等效应力图9 托圈开人孔与不开人孔对应处等效应力不同倾动角下托圈各部位的安全系数5见表2。表2不同倾动角下托圈各部位的安全系数托圈上盖板托圈下盖板托圈内腹板托圈外腹板托圈筋板水平吊挂连接座垂直吊挂连接座开人孔处屈服极限（MPa）275275275275285275275275最大应力（MPa）1151341071121371306885.8安全系数2.392.052.572.452.082.124.043.20 8 结论1.建立了有限元模型，应用有限元软件Ansys计算出了托圈的温度场分布，以及新增人孔前后在不同重要工况位置下托圈的热应力。2.通过对托圈新增人孔前后热应力的比较发现，新增人孔后托圈开人孔处应力较未开人孔时普遍有所增加，但开人孔处最大应力为85.8Mp，安全系数3.2，开人孔处仍有较大的安全空间，托圈整体也在安全使用范围内，说明通过开设人孔的方式，以便对托圈进行维护的方案是可行的。参考文献1.罗会信，严开勇，黄坤平等受损托圈承载应力的数值仿真分析J钢铁研究，2004.10，(5)：46-492.任学平，章博，邹家祥大型转炉炉体温度场有限元仿真试